角鋼塔曲臂K節點變形原因分析及對策研究

辜良雨，李 林，廖邢軍，劉翔云，隴源杰，付衛斌

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.云南電網有限責任公司建設分公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在單回交流輸電線路中，懸垂直線塔通常有酒杯塔和貓頭塔兩種型式，兩種型式各有優缺點。酒杯塔導線呈水平排列、導線水平間距大、線路走廊寬、房屋拆遷多；但由于塔頭較低，防雷效果較貓頭塔更優，且塔材耗鋼量較輕。而貓頭塔導線呈三角形排列，具有導線水平間距小、線路走廊小、房屋拆遷少的優點；但由于塔頭較高，防雷效果不如酒杯塔，且塔材耗鋼量較重。

鐵塔型式選擇與沿線的地形條件、交通條件、氣象條件、林木和房屋以及對線路有影響的設施分布情況、運行維護等有著密不可分的關系。由于酒杯塔和貓頭塔各有優缺點，兩種塔型在工程中都得到了廣泛應用。但酒杯塔和貓頭塔的塔頭上下曲臂K節點屬于剛度相對薄弱點。500 kV平武線送電線路工程[1]和1000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程[2]均出現了曲臂K節點位移的情況且經過了試驗驗證。文獻[3-4]通過現場調查、理論分析和真型試驗3個方面，分析了K節點位移及其對結構承載力的影響。文獻[5]利用數理統計原理分析鐵塔K節點變形，給出了K節點變形值的合理范圍[5]。

下面在上述研究成果的基礎上，從設計、加工和施工的角度對角鋼塔曲臂K節點變形原因進行分析，并結合理論研究和工程實踐經驗，提出有效控制角鋼塔曲臂K節點變形的措施。

1 曲臂K節點變形情況調研

1.1 曲臂K節點

酒杯塔和貓頭塔的共同特點是塔頭由曲臂與導地線橫擔構成，上下曲臂均為K節點連接結構。不同的是，酒杯塔邊橫擔和中橫擔均在K節點以上，貓頭塔邊橫擔在K節點以下，如圖1所示。

圖1 酒杯塔、貓頭塔塔頭

上下曲臂采用K節點連接具有構造簡單、傳力清晰、施工方便等優點，但是K節點易產生水平方向變形，尤其對于導線三角排列的貓頭塔，K節點向外鼓曲變形也是工程建設和運行維護中普遍存在的一個突出問題，曲臂K節點變形如圖2所示。

圖2 曲臂K節點變形實例及示意圖

1.2 變形情況調研

以云南某500 kV交流輸電線路工程為例，該工程采用南方電網典型設計5E1Y1、5E1Y2模塊，在質檢驗收中發現有大量貓頭塔曲臂K節點處存在不同程度的向外鼓曲變形。對各標段貓頭塔進行了逐基測量，共得到479基鐵塔的K節點位移值情況，詳見表1。

表1 各標段貓頭塔K節點單側位移值統計

從測量數據可以看出：各標段貓頭塔曲臂K節點向外鼓曲變形是普遍存在的現象；不同標段單側位移值離散性較大，同一塔型在不同塔位甚至在同一標段位移相差較大；各標段單側位移平均值為23.4～49.1 mm，與外曲臂主材的長度之比約為1/160～1/350。對所有塔位的位移情況進行統計分析，所有塔位K節點單側位移最小值為15 mm，最大值為70 mm，平均值為35.3 mm，位移值分布如圖3所示。

圖3 曲臂K節點單側位移值分布

由圖3可見：約86.6%的塔位單側位移小于40 mm，約12.6%的塔位單側位移在40～60 mm，約0.8%的塔位單側位移大于60 mm；約92.5%的單側位移值集中在20～50 mm。

為分析貓頭塔K節點變形原因，在地面進行了兩種貓頭塔塔頭的試組裝，采用臥式組裝后再吊裝豎直。試組裝結果表明：臥式組裝K節點位移值較小，甚至出現負值的情況，說明臥式組裝由于螺孔間隙、安裝誤差、加工誤差等原因會產生偏差，但是偏差值不大；吊裝豎直后，受自重影響，螺栓發生滑移，螺栓與螺孔孔壁發生擠壓抵緊，發出“咯吱咯吱”的聲響，K節點向外鼓曲，單側位移平均值在30 mm左右。

2 K節點變形原因分析

2.1 設計因素

酒杯塔和貓頭塔曲臂K節點以上部分是典型的鉸拱結構，鐵塔組裝完成之后，在橫擔自重和導地線垂直荷載作用下會發生鼓曲變形，但受力特點存在差異：對于酒杯塔，中橫擔自重和中導線垂直荷載使得K節點向外鼓曲，但邊橫擔自重和邊導線垂直荷載使得K節點向內側移動，如圖4所示；對于貓頭塔，中橫擔自重和中導線垂直荷載使得K節點向外鼓曲，邊橫擔自重和邊導線垂直荷載同樣使得K節點向外側鼓曲，如圖5所示。

圖4 酒杯塔K節點位移分析

圖5 貓頭塔K節點位移分析

因此，貓頭塔曲臂K節點向外鼓曲變形是一種力學現象，是受力的必然反映；酒杯塔由于邊導線和中導線具有相互抵消的作用，K節點向外鼓曲變形的趨勢要小一些。

為了研究貓頭塔曲臂K節點理論變形量的大小，以5E1Y2-ZMH塔型為例，采用桿單元模型計算右曲臂外側各節點的理論位移值。選擇6個計算工況，其中：工況1，未架線，無風；工況2，未架線，風速為10 m/s；工況3，已架線，風速為10 m/s；工況4，已架線，大風，最大垂直荷載；工況5，已架線，大風，最小垂直荷載；工況6，已架線，覆冰，最大垂直荷載。計算結果如圖6所示。

圖6 典型工況下貓頭塔曲臂位移值

從圖6中數據可以看出：

1)上曲臂各點沿橫擔方向的位移值(絕對位移)在大風工況下較大，其次是覆冰工況，在安裝和未架線工況下較小。

2)在各工況下，上曲臂各點的變形并不相同。以曲臂K節點為界，變形曲線基本呈雙折線模式，在曲臂K節點處出現拐點，即外鼓變形。這和現場觀察到的現象基本一致。說明K節點作為剛度上的薄弱點，在正常加工和施工情況下，其受力時的變形現象為外鼓變形。

3)K節點的相對變形值與導地線垂直荷載關系較大。垂直檔距越大，垂直荷載越大，理論計算變形值也相對越大。

4)在各工況下，K節點相對外曲臂上下端點的理論變形值較小。架線前的相對變形約為桿件全長的1/3000，架線后約為桿件全長的1/500，大風情況下約為桿件全長的1/750，覆冰情況下約為桿件全長的1/350。

為了探討K節點位移對附近桿件受力的影響，假定貓頭塔未強行組裝，K節點位移主要為螺栓滑移變形，不會產生附加內力。因此，在正常加工和組裝的前提下，可僅考慮K節點坐標、尺寸變化對構件承載力的影響。以5E1Y1-ZMH1為例，對K節點位移后的內外曲臂主材進行受力分析，如圖7所示。

由圖7可知，在不考慮附加內力的前提下，K節點向外位移會導致上曲臂內主材、上下曲臂外主材內力增加，單側位移達到80 mm時上曲臂內主材內力增加11%。

圖7 K節點位移對主材內力影響

2.2 加工因素

放樣尺寸誤差、螺孔間隙、塔材的初彎曲以及瓶口、曲臂、曲板角度等加工因素，均對K節點的位移有一定影響。

由于輸電鐵塔全部采用粗制螺栓，螺栓孔比螺栓公稱直徑一般大1.5～2.0 mm。而實際加工制造時，孔徑往往還要偏大，而螺栓實際直徑往往比公稱直徑偏小，這樣會進一步加大相關節點的位移。

由于螺栓與螺孔之間的間隙，會造成最大構造間隙為2e(e為螺孔與螺桿直徑的差值)，如圖8所示。

圖8 螺栓滑移

根據現場測量數據，螺孔直徑平均比螺栓公稱直徑大2.17 mm，單個螺栓間隙滑移最大值達4.34 mm。螺栓與螺孔之間的間隙引起的累積位移往往不可忽略，對K節點處位移影響較大。

2.3 施工因素

施工工藝、施工方法和施工習慣，也會對曲臂K節點的位移產生影響。從各施工標段提供的數據可以看出，不同標段單側位移平均值的離散性較大，這說明了位移大小和施工隊伍、施工工藝關系較大，良好的施工工藝和組織管理可有效控制曲臂K節點相對位移。

在塔頭組裝時，由于上部未閉合，若未對左右兩側K節點進行位移限制，下曲臂和塔身形成一個開口式Y型結構，在自重作用下會產生一定位移，如圖9所示。

圖9 塔頭組裝

為了驗證施工因素對K節點的影響，對云南某工程AN145塔位鐵塔組立過程進行了監測。施工采用內懸浮內拉線方法，組裝塔頭部位時內拉線打在塔身桿件上，不對塔頭桿件施加外荷載，現場組立如圖10所示。

圖10 AN145塔位現場組立監測

對塔頭部位控制點的坐標進行測量，將測量數據投影到豎直面上，通過與下曲臂上平面主材交點(見圖10中測點9)的相對位置關系，研究塔頭各點的位移情況，測量數據見表2、表3。

表2 垂直位移測量數據

從表2可以看出，各測點垂直坐標Z的差值均為負，表明曲臂和橫擔發生向下位移；從表3可以看出，各測點水平坐標均為正，表明曲臂和橫擔向外位移。這是由于塔頭上部未閉合，下曲臂和塔身形成一個開口式的Y型結構。此時若不采取限制位移的措施，曲臂和橫擔在自重作用下將產生下墜，導致K節點向外鼓曲變形。

表3 水平位移測量數據

如果不對曲臂和橫擔的下墜進行糾正就組裝頂部的水平橫擔，則需將K節點上部左右塔材強行拉近才能組裝到位。然而，K節點剛度相對塔頭其他部位較弱，會使得K節點主材向外鼓曲，如圖11所示。

圖11 貓頭塔K節點變形

2.4 K節點變形原因小結

通過上述分析可知，曲臂K節點向外鼓曲是一種力學現象，經計算，常規500 kV貓頭塔曲臂K節點架線前的理論相對位移約為2～3 mm，架線后的理論相對位移約為3～15 mm，理論變形值相對較小。

從典型鐵塔組立結果可以看出，施工方法對K節點位移影響較大，如果強制組裝不對曲臂和橫擔的下墜進行糾正，將加大鼓曲變形。

因此，K節點位移主要受施工因素影響，其次為加工因素，再次為設計因素。

3 K節點變形控制措施

從上述分析結果可以看出，角鋼塔曲臂K節點變形是無法徹底避免的客觀現象，只能通過采取控制措施減小變形的不利影響。通過有針對性的研究發現，除適當提高鐵塔加工精度減小初始變形外，還建議在設計和施工中采取以下措施控制K節點的變形。

3.1 設計措施

1)由于酒杯塔中橫擔和邊橫擔垂直荷載引起的K節點變形具有相互抵消的效果，因此在走廊條件允許的情況下，優先采用受力性能更好的酒杯塔。

2)GB 50017—2017《鋼結構設計規范》[6]要求壓桿初彎曲不能超過桿長的1/1000，GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗收規范》[7]中規定鐵塔組立后，各相鄰主材節點間彎曲度不得超過1/750。這是因為軸心受力桿件的初彎曲會引起P-Δ效應，嚴重降低壓桿的極限承載力；但K節點是一個節點，它的橫向位移并不等同于軸心受力桿件的初彎曲，因此不會引起P-Δ效應，也就不會降低壓桿的極限承載力[4]。貓頭塔外曲臂主材一般長度不大，以往多采用通長桿件，在工程實踐中有的質檢單位會采用各相鄰主材節點間彎曲度不得超過1/750的標準來判斷，對工程的驗收造成了一定的困難。因此，曲臂K節點外主材不宜采用通長桿件，建議開斷處理，回避前述驗收規定。

此外，曲臂K節點外主材不宜設計為直線，建議采用折線設計，降低K節點變形后的視覺誤差效果。

曲臂K節點外主材常見處理方式及推薦方案見表4。

表4 曲臂K節點外主材方案對比

3)K節點處內外曲臂主材夾角不宜太小，建議不小于18°，以確保K節點處具有良好的剛度，如圖12所示。

圖12 K節點處內外曲臂主材夾角控制

4)K節點發生位移難免會對節點附近的桿件產生附加應力，建議對上下曲臂主材和正側面節點板加大一級。

3.2 施工措施

1)施工單位在塔頭組裝時，應嚴格按照設計要求在邊橫擔內側節點及曲臂K節點設置對拉鋼繩，對曲臂和橫擔的下墜進行糾正，控制組塔期間的變形，如圖13所示。

圖13 施工孔及拉線布置

2)架線完成后應復核K節點變形情況，變形較大時，應先松開K節點(B1、B2)及邊橫擔內側節點(A1、A2)連接螺栓，通過對拉鋼繩調整到設計值后再緊固螺栓，如圖14所示。

圖14 對拉施工孔

3.3 試組裝及工程檢驗

在后續云南某新建500 kV交流輸電線路工程中，對貓頭塔采取了以下控制措施：

1)曲臂K節點外主材設計為折線，并進行開斷；

2)上曲臂內主材與外主材夾角按25°設計，下曲臂內主材與外主材夾角按23°設計；

3)上下曲臂主材和正側面節點板規格見表5；

表5 曲臂主材和節點板規格

4)在K節點及邊橫擔內側節點設置左右對拉施工孔，在鐵塔組立過程中設置對拉鋼繩，控制曲臂和橫擔的下墜以及K節點的變形。

對采取了上述控制措施的貓頭塔在塔廠進行了立式試裝，如圖15所示。然后進行了現場實測驗證，實測數據如表6所示。

圖15 貓頭塔立式試組裝現場

表6 K節點位移實測數據

實測數據表明，K節點位移值在0～1 mm之間，肉眼基本無法看出明顯的變形，試驗塔滿足驗收要求。

4 結 論

上面以某500 kV交流輸電線路工程貓頭塔曲臂K節點變形統計情況為基礎，從設計、加工、施工三方面對曲臂K節點變形進行深入分析后認為，角鋼塔曲臂K節點變形是一種正常的力學現象，是受力的必然反映，不能徹底避免，且受加工精度和施工方法影響較大。在設計和施工中建議采取以下措施控制K節點的變形：

1)在走廊條件允許的情況下，優先采用受力性能更好的酒杯塔；

2)曲臂K節點外主材不宜采用通長桿件，建議開斷處理；

3)K節點處內外曲臂主材夾角不宜太小，建議不小于18°；

4)在受力計算結果的基礎上，對上下曲臂主材和正側面節點板加大一級；

5)塔頭組裝時，在邊橫擔內側節點及曲臂K節點設置對拉鋼繩，對曲臂和橫擔的下墜進行糾正，控制組塔期間的變形；

6)架線完成后應復核K節點變形情況，變形較大時，通過對拉鋼繩調整到設計值后再緊固螺栓。

塔頭立式組裝和工程實踐結果表明，采取了所設計的構造措施并規范施工工藝后，曲臂K節點在組塔階段的變形值接近0，架線后也無明顯變形，控制措施效果顯著，值得在今后的鐵塔設計、施工中借鑒采用。